UNIVERSIDAD DE CANTABRIA
Trabajo realizado por:
Pablo García Pastor
Dirigido:
Isidro A. Carrascal Vaquero José A. Casado del Prado Soraya Diego Cavia
Titulación:
Grado en Ingeniería Civil
Santander,Julio 2014
TR AB AJ O F IN AL DE GR ADO
INFLUENCIA DE LA PRESENCIA DE ARENA EN EL
COMPORTAMIENTO DINÁMICO DE LAS SUJECIONES DEL
FERROCARRIL.
construcción y la explotación del tren de alta velocidad (AVE) entre las ciudades santas de Medina y La Meca en Arabia Saudí. La obra implica la construcción de 450 km de superestructura y sistemas ferroviarios, en un trazado con tramos dominados entre otras acciones externas, por tormentas de arena. En referente al fenómeno meteorológico de las tormentas de arena se pone un especial cuidado en aislar adecuadamente los equipos debido a la alta abrasión provocada por este fino. Sin embargo, los elementos que comprenden la superestructura ferroviaria, especialmente el sistema de sujeción del carril a la traviesa, se encuentran a merced de esta inclemencia. Por tanto, antes de su colocación en la vía es necesario llevar a cabo una homologación de todos los elementos que comprenden la superestructura en aras de comprobar su correcto funcionamiento bajo estos ambientes bruscos.
El objetivo de este proyecto se ha centrado en verificar el comportamiento mecánico de la sujeción utilizada actualmente en la alta velocidad española bajo cargas dinámicas de fatiga en un ambiente simulado de tormenta de arena, tomando como referencia la Normativa europea vigente, de alcance internacional.
La primera y más importante de las conclusiones sería que el sistema de sujeción ensayado en presencia de arena no cumpliría con una de las condiciones exigidas en los pliegos de condiciones nacionales y normativas europeas.
Por otro lado, se ha comprobado que la presencia de arena incrementa los desplazamientos horizontales de la cabeza del carril medidos durante el ensayo de fatiga, al igual que ocurre con los desplazamientos remanentes entre el primero y último ciclo de fatiga para este mismo parámetro.
ABSTRACT
A Spanish consortium led by Renfe, Adif and Talgo is leading the construction and operation of the high speed train (AVE) between the Holy cities of Medina and Mecca in Saudi Arabia. The work involves the construction of 450 km of superstructure and railway systems, in a path stretches dominated among other external actions, by sandstorms. The meteorological phenomenon of sandstorms gets special care the adequate of the equipment due to high abrasion caused by this fine. However, the elements that comprise the railway superstructure, specially the strut rail fastening system, are at the mercy of this inclemency. Therefore, before being placed in the way, it is necessary to carry out an approval of all the elements that comprise the superstructure in order to verify its correct operation under these sudden environments.
The aim of this project has been focused on checking the mechanical behavior of the fastening currently used in the Spanish high speed under fatigue dynamic loads in a simulated environment of sandstorm, taking as a reference the current European specifications.
The first and most important conclusion would be that the fastening system tested in the presence of sand would not meet one of the conditions specified in the Terms of national and European regulations.
Furthermore, it was found that the presence of sand increases the horizontal displacements measured at the head of the rail during the fatigue test, as it also increases the remaining movement between first and last fatigue cycle for the same parameter.
Contenido
CAPÍTULO 1: DEFINICIÓN Y OBJETIVOS. ... 6
1.1 DEFINICIÓN Y OBJETIVOS ... 7
CAPÍTULO 2: SUJECIONES ... 8
2.1. LA SUJECIÓN. ... 9
2.1.1. GENERALIDADES. ... 9
2.1.2. SUJECIÓN: DEFINICIÓN, FUNCIONES Y CARACTERISTICAS. ... 10
2.1.3. COMPONENTES Y CLASIFICACIÓN DE LAS SUJECIONES. ... 14
2.1.3.1. CLASIFICACION DE LAS SUJECIONES ATENDIENDO A LOS ELEMENTOS QUE LA CONSTITUYEN Y SU COLOCACIÓN. ... 15
2.1.3.2. CLASIFICACIÓN DE LAS SUJECIONES ATENDIENDO A LA NATURALEZA DE LOS ELEMENTOS ... 17
2.1.3.3. CLASIFICACIÓN DE LAS SUJECIONES ATENDIENDO A LA FORMA DE TRABAJO ... 19
2.1.4. PRINCIPALES SISTEMAS DE SUJECIONES EMPLEADOS EN LA ACTUALIDAD EN ESPAÑA 19 2.1.4.1. SUJECIÓN RN ... 20
2.1.4.2. SUJECIÓN P-2 ... 24
2.1.4.3. SUJECIÓN J-2 ... 27
2.1.4.4. SUJECIÓN NABLA ... 29
2.1.4.5. SUJECIÓN PANDROL ... 33
2.1.4.6. SUJECIÓN HM (SKL 1) ... 39
2.1.4.7. SUJECIÓN VM (SKL 1) ... 42
2.1.4.8. SUJECIÓN VM MODIFICADA ... 45
CAPÍTULO 3: METODOLOGÍA EXPERIMENTAL ... 56
3.1 ENSAYOS DE RIGIDEZ SOBRE PLACA DE ASIENTO ... 57
3.1.1 RIGIDEZ VERTICAL ESTÁTICA ... 57
3.1.1.1 JUSTIFICACION DE LOS ENSAYOS ... 57
3.1.1.2 METODOLOGÍA ... 58
3.1.1.2.1 DESCRIPCIÓN DEL ENSAYO SEGÚN NORMA ... 58
3.1.1.3 METODOLOGÍA EXPERIMENTAL ADOPTADA... 59
3.1.1.4 EQUIPAMIENTO NECESARIO PARA LA REALIZACIÓN DE LOS ENSAYOS ... 60
3.1.1.5 PARAMETROS DE ENSAYO ... 61
3.1.1.6 RESULTADO OBTENIDO ... 61
3.1.2 RIGIDEZ DINÁMICA A BAJA FRECUENCIA ... 62
3.1.2.1 JUSTIFICACION DEL ENSAYO ... 62
3.1.2.2 METODOLOGÍA ... 62
3.1.2.2.1 DESCRIPCIÓN DEL ENSAYO SEGÚN NORMA ... 62
3.1.2.2.2 METODOLOGÍA EXPERIMENTAL ADOPTADA ... 62
3.1.2.2.3 EQUIPAMIENTO NECESARIO PARA LA REALIZACIÓN DEL ENSAYO ... 64
3.1.2.2.4 PARAMETROS DE ENSAYO ... 64
3.1.2.3 RESULTADO OBTENIDO ... 65
3.2 ENSAYOS DE RIGIDEZ SOBRE EL CONJUNTO ... 66
3.2.1 JUSTIFICACIÓN DEL ENSAYO ... 66
3.2.2 METODOLOGÍA ... 66
3.2.2.1 DESCRIPCIÓN DEL ENSAYO SEGÚN NORMA ... 66
3.2.2.2 METODOLOGÍA EXPERIMENTAL ADOPTADA... 68
3.2.2.3 EQUIPAMIENTO NECESARIO PARA LA REALIZACIÓN DEL ENSAYO ... 69
3.2.2.4 PARÁMETROS DE ENSAYO ... 69
3.2.3 RESULTADO OBTENIDO Y VALOR LÍMITE INDICADO EN LA ESPECIFICACIÓN ... 70
3.3 ENSAYO DE EFECTO DE LAS CARGAS REPETIDAS ... 71
3.3.1 JUSTIFICACIÓN DEL ENSAYO ... 71
3.3.2 METODOLOGÍA ... 72
3.3.2.1 DESCRIPCIÓN DEL ENSAYO SEGÚN NORMA ... 72
3.3.2.2 METODOLOGÍA EXPERIMENTAL PROPUESTA ... 75
3.3.2.3 EQUIPAMIENTO NECESARIO PARA LA REALIZACIÓN DEL ENSAYO ... 79
3.3.2.4 PARÁMETROS DE ENSAYO ... 80
3.3.3 RESULTADO OBTENIDO Y VALOR LÍMITE INDICADO EN LA ESPECIFICACIÓN ... 80
3.4 SISTEMA IMPULSOR DE ARENA... 82
3.4.1 JUSTIFICACIÓN DEL ENSAYO ... 82
3.4.2 METODOLOGÍA ... 82
3.4.2.1 METODOLOGÍA EXPERIMENTAL ADOPTADA... 82
3.4.2.2 EQUIPAMIENTO NECESARIO PARA LA REALIZACIÓN DEL ENSAYO ... 84
3.4.2.3 PARÁMETROS DE ENSAYO ... 86
CAPÍTULO 4: RESULTADOS Y ANÁLISIS. ... 87
4.1.- Ensayo de rigidez estática sobre conjunto ... 88
4.2.- Ensayo de cargas repetidas ... 91
4.3.- Ensayos de rigidez sobre la placa de asiento ... 95
CAPÍTULO 5: CONCLUSIONES. ... 103
5.1 CONCLUSIONES. ... 104
Bibliografía. ... 105
OBJETIVOS.
1.1 DEFINICIÓN Y OBJETIVOS
En el presente estudio se trata de evaluar la influencia de la presencia de arena en el comportamiento dinámico de las sujeciones del ferrocarril.
El propósito es la adaptación de los componentes de la sujeción para su posterior utilización en lugares donde la presencia de factores climáticos con tormentas de arena se ha de tener en cuenta.
En este proyecto se han realizado ensayos de caracterización según la normativa vigente en un sistema de sujeción conocido, el empleado en España en los nuevos trazados del AVE a su vez se han realizado los mismos ensayos pero esta vez con un sistema impulsor de arena que nos permitió simular los efectos de una tormenta de arena. Así mismo en el presente proyecto se desarrolla el sistema impulsor de arena que nos permite evaluar la afección de esta.
2.1. LA SUJECIÓN.
2.1.1. GENERALIDADES.
El camino de rodadura de las vías férreas está constituido por diversos elementos. La infraestructura se forma a partir de la plataforma y la superestructura que, a su vez, está integrada por los carriles, las traviesas y el balasto. Los carriles se fijan a las traviesas, las cuales descansan sobre el balasto. La superestructura se completa con una serie de accesorios, comúnmente denominados pequeño material de vía, y que constituyen el conjunto de piezas más numeroso de aquélla.
El carril es el elemento resistente del camino de rodadura y su función es la de soportar directamente las cargas de las ruedas y guiar los vehículos.
Asimismo, debe servir como elemento conductor de las corrientes de señalización.
Las traviesas mantienen la separación de los carriles, conservando el ancho de vía y transmiten los esfuerzos soportados por los carriles al balasto.
Los elementos que permiten fijar el carril a la traviesa conforman, en su conjunto, la sujeción.
El balasto transmite y reparte sobre la plataforma lo más uniformemente posible las cargas originadas por el paso de los vehículos y evacua las
aguas de lluvia. Asimismo, arriostra las traviesas por rozamiento para evitar el desplazamiento de la vía.
En la Figura 2.1 se presenta el principio de construcción del camino de rodadura donde se aprecian todos los elementos de que consta.
Figura 2.1. Elementos del camino de rodadura.
2.1.2. SUJECIÓN: DEFINICIÓN, FUNCIONES Y CARACTERISTICAS.
Se denomina sujeción al conjunto de elementos cuyo objeto es dar continuidad estructural a la vía. La sujeción se constituye a partir de los elementos que fijan el carril asegurando una posición estable del mismo sobre la traviesa. La importancia de la función de la sujeción se ha ido incrementando con el transcurso del tiempo a medida que las velocidades y cargas por eje aumentaban y, consecuentemente, crecían los esfuerzos a transmitir de los carriles a las traviesas, así como las exigencias del estricto mantenimiento del ancho de vía y de aislamiento eléctrico entre los dos hilos del carril.
Las principales funciones para las que se diseña la sujeción son las siguientes:
• Fijar los carriles a las traviesas.
• Asegurar la invariabilidad del ancho de vía.
• Facilitar la transferencia a la infraestructura de las acciones estáticas y dinámicas ejercidas por el material rodante sobre la estructura de la vía.
Entre las características básicas, de tipo general, de las sujeciones se destacan las siguientes:
• Poseer resistencia mecánica y elasticidad adecuada e invariable a lo largo de la vida de la sujeción.
• Dotar al sistema del correcto aislamiento eléctrico entre los dos hilos de carril en
• líneas electrificadas o dotadas de sistemas de señalización que lo hagan
• necesario.
• Estar constituida por el menor número posible de elementos y que éstos a su vez tengan una geometría sencilla, de modo que se facilite su fabricación, montaje, conservación y sustitución en caso de deterioro.
• Su coste debe ser bajo, tanto en fabricación como en su explotación.
• Su duración o vida de trabajo debe ser elevada.
Para conseguir mantener la posición relativa de carril y traviesa, las sujeciones deben absorber una serie de esfuerzos que transmite el carril. Estos esfuerzos dependen de las cargas y características dinámicas del material móvil, así como de la geometría y estado de conservación de la línea, de las variaciones térmicas y de otra serie de factores. Por tanto, los sistemas de sujeción deben estar diseñados de forma que sus componentes sean capaces de resistir estos esfuerzos y transmitirlos al conjunto de estructura de la vía.
En recta actúan sobre el carril los esfuerzos verticales ejercidos por las ruedas, los longitudinales debidos a las tensiones térmicas y los transversales producidos por el movimiento de lazo e impactos debidos a irregularidades geométricas de las ruedas y de la vía.
En curva surgen otra serie de esfuerzos que las pestañas de las ruedas transmiten al hilo exterior del carril y que son debidos a la aceleración centrifuga, al rozamiento de las pestañas con la cabeza del carril, al cabeceo o galope de los bogies y a la aceleración de Coriolis cuando se producen cambios de curvatura en el trazado.
Por otra parte, en la concepción de un sistema de sujeción deben tenerse en cuenta otra serie de condiciones funcionales, entre las que podemos destacar las siguientes:
• La fuerza de apriete del carril sobre la traviesa debe ser tal que el esfuerzo de rozamiento entre ambos supere a la resistencia al deslizamiento, en dirección longitudinal a la vía, de la traviesa sobre el balasto. Este esfuerzo debe mantenerse con valores sufıcientes a lo largo de la vida de la sujeción.
• La frecuencia propia de vibración de las sujeciones debe ser mucho mayor que la del carril, de forma que al paso de los ejes no se pierda el contacto entre ambos.
Además, el recorrido elástico de los elementos de apriete debe ser suficiente para que la sujeción mantenga una reacción elástica aun cuando esté sometida a la deformación máxima prevista.
• El montaje y desmontaje de las sujeciones debe poder realizarse con medios mecánicos de alto rendimiento. Esto resulta especialmente necesario en las operaciones de liberación de tensiones de los carriles continuos soldados para reducir al máximo los períodos de corte de vía. Además, la colocación de los carriles debe resultar sencilla y precisa y la sujeción debe mantener sus características elásticas aun después de varios montajes y desmontajes.
• El control del apriete debe ser sencillo de realizar y debe poder efectuarse sin desmontar la sujeción. En caso de deterioro debe ser posible sustituir con facilidad el componente defectuoso.
2.1.3. COMPONENTES Y CLASIFICACIÓN DE LAS SUJECIONES.
Para establecer una clasificación de los diferentes tipos de sujeciones será preciso conocer todos aquellos elementos individuales que pueden formar parte de la misma, independientemente de que algún tipo de sujeción pueda prescindir de alguno o varios de ellos. Los elementos que pueden formar parte de una sujeción son básicamente los que se citan a continuación y cuyo esquema se refleja en las Figuras 2.2 a 2.4:
• Elemento de anclaje a la traviesa. Se trata de los elementos que unen el conjunto de la sujeción a la traviesa
• Placa de asiento. Elemento que se sitúa entre el carril y la traviesa, que puede ser rígida para reducir la presión específica transmitida por el carril, protegiendo a la traviesa, o elástica para amortiguar los esfuerzos sobre la traviesa y dotando a la vía de una cierta elasticidad.
• Elementos de anclaje de la placa. Se trata de aquellos elementos que mantienen la placa unida a la traviesa.
• Elementos de anclaje a la placa. Se trata de los elementos que unen el conjunto de la sujeción a la placa.
• Elementos de anclaje del carril. Son los elementos que mantienen el carril en contacto con la placa de asiento o la traviesa, si la anterior no existe.
• Elementos elásticos, aislantes y de guía del carril.
2.1.3.1. CLASIFICACION DE LAS SUJECIONES ATENDIENDO A LOS ELEMENTOS QUE LA CONSTITUYEN Y SU
COLOCACIÓN.
En función de los elementos que forman parte de la sujeción así como de su disposición, las sujeciones se pueden clasificar en:
• Sujeciones directas. En este tipo de sujeción la función de fijación del carril y, en su caso, la placa, a la traviesa es ejercida por un único elemento o conjunto de elementos, trabajando en paralelo con existencia o no de elementos auxiliares. En la Figura 2.2, se muestra un esquema de este tipo de sujeciones.
Figura 2.2. Sujeción directa
• Sujeciones indirectas. En este tipo de sujeción el anclaje de la placa a la traviesa se realiza por medio de elementos o grupo de elementos independientes de los que cumplen la función de fijar el carril a la placa, pudiendo existir o no elementos accesorios. En la Figura 2.3, se muestra un esquema de este tipo de sujeciones.
Figura 2.3. Sujeción indirecta
• Sujeciones mixtas. En este tipo de sujeción la placa se fija a la traviesa por medio de elementos o grupos de elementos que actúan sólo sobre la placa (característica de las sujeciones indirectas), pero además existen otros elementos o conjunto de los mismos que actúan simultáneamente como anclaje del carril y de la placa a la traviesa (característica de sujeción directa). En la Figura 2.4, se muestra un esquema de este tipo de sujeciones.
Figura 2.4. Sujeción mixta
La ventaja que pueden presentar las sujeciones directas es que, generalmente, poseen un pequeño número de piezas, por lo que resultan más sencillas de montar que las indirectas y mixtas, que constan de un número similar entre ellas pero siempre superior a las directas.
2.1.3.2. CLASIFICACIÓN DE LAS SUJECIONES ATENDIENDO A LA NATURALEZA DE LOS ELEMENTOS
En función de la naturaleza de los elementos que forman parte de la sujeción, las sujeciones se pueden clasificar en:
• Sujeciones rígidas. Se trata de sujeciones en las que la transmisión de esfuerzos entre el carril y la traviesa se realiza a través de elementos rígidos.
• Sujeciones elásticas. Son aquéllas en las que la transmisión de esfuerzos del carril a la traviesa se efectúa por medio de elementos o conjunto de elementos flexibles, cuya misión puede ser: de fijación del carril a la traviesa, de fijación del carril a la placa y de fijación de la placa a la traviesa. Las sujeciones elásticas pueden dividirse en dos subgrupos: simples o doblemente elásticas. Las simples serían aquellas cuyos componentes solamente desarrollan una de las funciones indicadas anteriormente. En las sujeciones doblemente elásticas, tanto la sujeción del carril a la placa, como la de ésta a la traviesa, se realiza por medio de elementos o conjuntos de elementos elásticos.
Esta clasificación, de uso generalizado en toda la bibliografía consultada, puede causar cierta confusión, ya que, entendiendo la elasticidad como aquella propiedad que tiene los materiales de recuperar la deformación sufrida al cesar el esfuerzo aplicado sobre el mismo, ambos grupos de sujeciones se podrían clasificar bajo la denominación de elásticas. La variable que se trata de diferenciar al hacer esta clasificación es la magnitud del desplazamiento sufrido por la sujeción sometida a esfuerzos aplicando el concepto de rígidas a aquellas sujeciones que sufren desplazamientos muy cortos, pero recuperables y, por tanto elásticos, mientras que las sujeciones elásticas son aquellas capaces de absorber mayores desplazamientos, por tanto, sería más acertado diferenciar entre sujeciones rígidas y flexibles.
Las sujeciones rígidas tienen el inconveniente de la rapidez con la que se produce su deterioro, debido, por un lado, a la acción de cargas dinámicas y, por otro, al propio paso del tiempo. En este tipo de sujeciones, la absorción de energía tiene un carácter acumulativo, lo que se traduce en deformaciones con carácter permanente y progresivo y, por tanto, dará lugar a la aparición de holguras y desajustes como consecuencia de la rigidez de los elementos incapaces de seguir las exigencias de movimiento debido a las solicitaciones. Por el contrario, las sujeciones elásticas son capaces de deformarse y recuperar luego esta deformación al tener alta flexibilidad como conjunto, siempre que no se superen sus propiedades elásticas, lo que le permite una vida mucho más larga y una rodadura más suave.
2.1.3.3. CLASIFICACIÓN DE LAS SUJECIONES ATENDIENDO A LA FORMA DE TRABAJO
En función de la forma en que se materializa el anclaje de los elementos que forman parte de la sujeción, se pueden presentar los siguientes casos:
• Adherencia entre metal y hormigón.
• Clavado sobre madera o materiales sintéticos.
• Efecto de tornillo entre: metal y madera, metal y material sintético o metal y metal (roscado).
• Efecto de cuña entre: metal y metal; metal y madera o metal y material sintético (acodalamiento).
• Efecto de tope entre: metal y hormigón o metal y metal.
• Soldadura entre metal y metal.
2.1.4. PRINCIPALES SISTEMAS DE SUJECIONES EMPLEADOS EN LA ACTUALIDAD EN ESPAÑA
En este apartado se realizará una revisión de los principales sistemas de sujeción elásticos directos, que son los más comúnmente empleados en la actualidad.
La ventaja fundamental de las sujeciones de carril elásticas sobre las rígidas consiste en permitir movimientos verticales del carril al paso de las circulaciones, amortiguándose la energía de los choques que se producen.
Estos movimientos deben existir sin ningún juego entre el carril y la traviesa y, para ello, se diseñan unos componentes elásticos (grapas, clips, ...) encargados de apretar el carril sobre la traviesa que funcionan como un muelle, absorbiendo las deformaciones de las placas de asiento de los carriles.
2.1.4.1. SUJECIÓN RN
Este tipo de sujeción puede funcionar en toda clase de traviesas, aunque su principal aplicación es sobre las traviesas RS (bibloque ó mixtas de acero y hormigón) para las que se desarrolló en un principio.
Esta sujeción está integrada por los siguientes componentes (Figura 2.5) :
• Una grapa de doble hoja con un bucle, fabricada en acero al cromo manganeso y con la hoja superior más larga que la inferior. Se trata del elemento principal de la sujeción y el que le confiere la propiedad elástica a la misma.
• Un bulón o tornillo de acero cuya cabeza se ancla en la traviesa.
• Una placa de caucho acanalada de 4,5 mm de espesor.
• Un sector de caucho que actúa como elemento amortiguador y protector de la traviesa de hormigón, en la parte más alejada del carril. También se utiliza un casquillo metálico fijo a la traviesa, en el caso de las metálicas y de madera.
• Un casquillo aislante de plástico intercalado entre el tornillo y la grapa.
Figura 2.5. Sujeción RN
La parte elástica de la sujeción, la grapa, puede llegar a perder sus propiedades y funcionar incorrectamente si, por error, se somete a un apretado excesivo a los tornillos que las fijan a las traviesas, originando sobre las mismas, tensiones superiores a su límite elástico y deformándolas plásticamente. En esta situación, la sujeción funcionaría como una sujeción rígida con todos los inconvenientes que ello conlleva.
Para evitar esta posibilidad, la rama superior de las grapas tiene una forma tal que sólo puede apoyar sobre el patín del carril en dos líneas paralelas que se denominan de “primer contacto” y de “segundo contacto”. El contacto del patín del carril no debe llegar a producirse en esta segunda línea para no sobrepasar la tensión admisible en la grapa, debiendo quedar un hueco entre ésta y el patín, en su posición definitiva de apretado, de 0.2 a 0.5 mm. Esta condición es teórica y en la realidad suele
incumplirse frecuentemente. En la Figura 2.6 se muestra, a efectos prácticos, el apretado correcto de una sujeción RN.
Figura 2.6. Apretado correcto de una sujeción RN
La sujeción tiene un comportamiento elástico vertical en los dos sentidos.
Por un lado, ante esfuerzos verticales que tienden a separar el carril de la traviesa, responde de forma elástica la grapa con fuerzas crecientes con la deformación. Y por el otro lado, ante esfuerzos que intentan hundir el carril, será la placa de asiento la que se comprime elásticamente y, gracias a las acanaladuras que posee se evita su expansión en dirección transversal.
Otra función de la grapa es resistir los esfuerzos transversales, los cuales, al sobrepasar un cierto valor, producen el deslizamiento lateral del carril sobre la placa. Estos esfuerzos se transmiten a la hoja inferior de la grapa y se componen con la tensión del tornillo sobre el bucle para dar una resultante oblicua. La transmisión al hormigón de este esfuerzo oblicuo se realiza a través del sector de caucho, que por su naturaleza hace las veces de amortiguador.
El aislamiento eléctrico la sujeción RN lo logra por medio de tres elementos:
• La placa de caucho, que aísla el carril de la traviesa,
• El sector de caucho amortiguador, que aísla la grapa de la traviesa, y
• El casquillo aislante, que aísla el tornillo de la grapa.
2.1.4.2. SUJECIÓN P-2
La sujeción P-2 se desarrolló en España para sustituir a la sujeción RN. Fue proyectada para evitar los problemas que presenta la vía montada con el conjunto formado por la traviesa bibloque RS y la sujeción RN, especialmente en lo que se refiere al aislamiento eléctrico entre sus dos hilos y a la conservación de su ancho.
Esta solución resuelve el problema del aislamiento, incluso en condiciones atmosféricas desfavorables, y anula, casi por completo, la variación del ancho de vía que ocasiona la sujeción RN. Lo que no puede evitar esta solución es la modificación del ancho debido al giro de las cabezas de las traviesas como consecuencia de sus asientos y de la falta de rigidez de la riostra metálica que las une. La sujeción P-2 está compuesta por dos tornillos de fijación a la traviesa que transmiten su presión al patín del carril por medio de unas arandelas, unas láminas elásticas y unas piezas aislantes, interiores y exteriores (Figura 2.7).
Figura 2.7. Sujeción P-2
En la Figura 2.7 se aprecia la composición de la sujeción, cuyos elementos más importantes son:
• Tornillos y arandela de la sujeción.
• Lámina elástica metálica.
• Piezas aislantes exterior e interior de poliamida reforzada con fibra corta de vidrio.
• Placa de asiento del carril.
Las grapas aislantes interiores y exteriores permiten conseguir un buen aislamiento eléctrico del carril. Por otra parte, la grapa exterior cumple la función de transmisión de los esfuerzos transversales del patín del carril a los alojamientos de la traviesa, por lo que su diseño es más robusto que el de la grapa interior, que tan sólo transmite esfuerzos verticales. El apriete vertical se consigue por flexión de las láminas elásticas de acero que, inicialmente, son planas, pero que sometidas a un esfuerzo vertical, por el apretado de los tornillos, se deforman elásticamente hasta entrar en contacto con la superficie superior de las grapas aislantes, que es cóncava.
El diseño geométrico de la sujeción P-2 permite su acoplamiento a las cavidades existentes en las traviesas RS para el alojamiento de la sujeción RN, por lo que la sustitución de una por otra se realiza sin ninguna modificación de la traviesa.
A continuación, se relacionan las características ventajosas que la sujeción P-2 presenta frente a la sujeción RN:
• Posee un tope para su apretado que elimina la ardua tarea de medir el par a aplicar. Su estado de ajuste suficiente, para fijar el carril, se consigue cuando está apretado hasta dicho tope.
• Las deformaciones de la lámina elástica y de la pieza aislante son pequeñas en comparación al esfuerzo de apretado obtenido sobre el patín del carril.
• Todo el conjunto de la sujeción presenta un buen comportamiento a la fatiga de sus materiales.
• La sujeción proporciona el ancho de vía en forma notablemente mejor que la sujeción RN, ocasionando variaciones del orden de la quinta parte del valor de la amplitud que ésta produce.
• Consta de 18 piezas por traviesa en lugar de las 24 que posee la RN.
• Como consecuencia de esta mayor sencillez, el montaje y la conservación presentan más facilidades.
Por otro lado, las principales desventajas de la sujeción P-2 frente a la RN son las siguientes:
• Menor recorrido elástico.
• Más sensibilidad a la acción del fuego.
• Precio de fabricación más elevado.
•
La sujeción P-2 se utiliza en España para vías con velocidades máximas de 160 km/h, pudiendo incluso utilizarse hasta 200 km/h siempre que la geometría y el grado de conservación de las vía sean adecuados para esta velocidad.
2.1.4.3. SUJECIÓN J-2
La sujeción J-2 se trata de una evolución de la sujeción P-2. Su origen se encuentra, básicamente, en la mejora del comportamiento de la sujeción P-2 ante las solicitaciones de fatiga, debidas a la acción conjunta de la fuerza de apriete y las cargas que actúan sobre la vía, para así, incrementar su vida útil.
La variación introducida sobre la sujeción P-2 consiste en evitar el eventual contacto de la placa metálica con la pieza de plástico mediante la interposición de escalones de apoyo sobre la cara superior de la pieza. De esta manera, la placa no transmitirá todos los esfuerzos verticales a la pieza de plástico. También la J-2 presenta una mayor resistencia a los esfuerzos laterales que la P-2.
El esquema de la sujeción, como se muestra en la Figura 2.8, es similar al de la P-2, estando formada por 22 piezas por traviesa, entre las que destacan básicamente:
• Tornillo y arandela de la sujeción.
• Lámina elástica metálica de 5 ó 6 mm.
• Piezas aislantes J-2 de poliamida reforzada con fibra corta de vidrio.
• Placa de asiento elástica bajo carril.
La estructura general del sistema de sujeción J-2 del carril sobre la traviesa en la que este apoya a través de una lámina elástica de asiento, se compone de dos piezas de plástico, una correspondiente al lado exterior del carril respecto de la vía y otra que corresponde a su lado interior. Las
dos piezas de plástico están unidas a la traviesa por medio de sendos tirafondos con sus respectivas arandelas y tuercas. Estas últimas aprietan, contra su asiento, a una placa metálica elástica capaz de absorber, mediante su deformación, el exceso de presión producida por el par de apriete.
Figura 2.8. Sujeción J-2
En la Figura 2.8, se puede observar que la pieza J-2 dispone de unos escalones de apoyo de la lámina metálica a uno y otro lado del tirafondo, los cuales facilitan la capacidad de deformación de dicha placa sin transmitir esfuerzos a toda la cara superior de la pieza aislante de plástico.
El elemento fundamental está constituido por la pieza aislante que aprieta el patín contra la traviesa, asegura el ancho de vía y juega un papel muy importante en el aislamiento eléctrico entre los carriles de los hilos de la vía.
La pieza aislante J-2 dispone de nervios longitudinales y transversales en su diseño interior. Los longitudinales, en su cara superior están dispuestos ortogonales al plano de ataque del patín y los transversales, perpendiculares a éstos.
El Grupo de Materiales de la Universidad de Cantabria colaboró en el diseño, optimización y desarrollo de la Sujeción J-2 junto con RENFE, TIFSA, MONDRAGÓN, Rhône-Poulenc, DSM y Du Pont. El trabajo del Grupo de Materiales de la Universidad de Cantabria se centró, básicamente, en la caracterización mecánica de la sujeción, tanto estática, como dinámicamente. El resultado de este trabajo fue la optimización del sistema de sujeción J-2, además de la definición del Procedimiento de Homologación.
2.1.4.4. SUJECIÓN NABLA
La sujeción NABLA es de origen francés, deriva de la RN y surge con la misión de sustituirla. Su configuración geométrica no permite su acoplamiento a los alojamientos previstos inicialmente para la RN, ya que está concebida para equipar traviesas bibloque nuevas (Figura 2.9), que se utilizan en Francia incluso para las líneas de alta velocidad.
El diseño de la sujeción NABLA resuelve las deficiencias apuntadas en la RN:
• Solventa el aislamiento eléctrico de los hilo de la vía.
• Anula las variaciones de ancho de vía.
• Proporciona, al carril, una unión elástica más sencilla y eficaz como consecuencia de la sustitución de la grapa por una lámina doblemente elástica.
• Simplifica el apretado de la lámina.
Figura 2.9. Sujeción NABLA en traviesa bibloque
Los principales componentes de la sujeción NABLA para traviesa de hormigón, tanto
bibloque como monobloque, como puede verse en la Figura 2.10, son los siguientes :
• Anclaje de fijación a la traviesa. Este anclaje puede ser de tres tipos:
o Tirafondo roscado en una espiga aislante protegida por medio de un envoltura metálica embutida en el hormigón.
o Vástago roscado que se ancla a la traviesa de la misma forma que el tirafondo pero finaliza en una rosca y va provisto de tuerca hexagonal.
o Tornillo de anclaje similar al de grapa empleado en la sujeción RN.
• Grapa elástica. Se trata de una lámina de acero especial y de forma trapecial, convexa hacia arriba y con el borde de su base menos curvado en la dirección del eje longitudinal del carril. Su doble curvatura le permite amortiguar los movimientos verticales y horizontales del carril, en colaboración con la pieza tope aislante, sobre la que ejerce presión mediante el anclaje de la sujeción y la arandela, y con la placa de asiento del carril.
• Tope aislante. Se trata de una pieza fundamental de la sujeción, es de poliamida y existe con diferentes formas y bajo diversos tipos dentro de ellas. Entre sus funciones se pueden citar:
o Aísla el carril de la sujeción.
o Permite el montaje de diversos perfiles de carril, en una misma traviesa.
o Proporciona diferentes sobreanchos en curvas de pequeño radio.
o Hace posible el paso de una instalación en vía ancha (1.668 mm) a otra de ancho internacional (1.435 mm), o viceversa, utilizando el mismo perfil de carril e igual traviesa.
• Placa de asiento. Se coloca entre el carril y la traviesa y está formada por una plancha acanalada de material elastómero, cuya elasticidad debe quedar ajustada a las que poseen la grapa y el tope, de modo que las deformaciones del conjunto permitan mantener una presión del carril sobre la traviesa, que impida su desplazamiento. Existen diversos modelos de placas, con espesores de 4.5, 6.5 y 9.0 mm y provistos de diferentes acanaladuras para regular su elasticidad de conformidad con la carga por eje del material rodante, su velocidad de circulación, el perfil del carril, etc.
El espesor de 9 mm es el que se emplea en las vías de alta velocidad para conseguir mejores características de amortiguación de las vibraciones que se producen por diversas causas a estas velocidades.
La disposición de los elementos de la sujeción evita el contacto del carril con la traviesa o con cualquier elemento metálico que toque con ella, produciendo su completo aislamiento eléctrico.
El apretado definitivo se puede realizar manualmente con ayuda de una llave hasta anular la distancia existente entre el borde de la lámina elástica y la superficie del tope, con alguna décima de milímetro de diferencia o, también, por medio de una atornilladora mecánica de par limitado, regulándolo entre 150-200 N·m.
Figura 2.10. Sujeción NABLA para traviesa de hormigón
2.1.4.5. SUJECIÓN PANDROL
Su inventor fue un ingeniero noruego, aunque la explotación comercial es inglesa. La característica fundamental de esta sujeción es que no incluyen elemento roscado de apriete alguno, lo que disminuye mucho los requerimientos de mantenimiento del sistema. Por este hecho, se ha llegado a decir que es una solución “fit and forget”, es decir instalar y olvidar, aunque esta consideración resulta un tanto exagerada.
La sujeción PANDROL puede ir montada sobre todo tipo de traviesas:
madera, metálicas y de hormigón. La sujeción sobre madera sería de tipo indirecto, mientras que las otras dos, hormigón y metálica, lo serían de
tipo directo. Actualmente, hay instalados unos 350 millones de este tipo de sujeciones, de los cuales dos tercios están sobre hormigón, prácticamente el tercio restante en madera y una minoría en traviesa metálica.
La sujeción PANDROL para traviesa de hormigón queda representada en la Figura2.11, estando formada por los siguientes componentes:
• Piezas de alojamiento de la grapa elástica embebidas en la traviesa en el proceso de su fabricación.
• Placa elástica de asiento del carril fabricada en polietileno que posee unos entrantes laterales para encajar en las cabezas de las piezas de alojamiento del clip para evitar un posible desplazamiento.
• Clip elástico que trabaja a flexión y torsión combinadas, fabricado de barra de acero de alta calidad, aleado al siliciomanganeso y tratado térmicamente.
• Pieza aislante fabricada en poliamida o en otro material plástico.
Generalmente se emplea sin recubrimiento metálico pero, en las alineaciones curvas de pequeño radio, queda protegida por una lámina metálica.
Figura 2.11. Sujeción Pandrol en hormigón
La sujeción PANDROL para traviesa de madera se representa en la Figura 2.12, y está formada por los siguientes componentes:
• Placa metálica para asiento del carril de distintos modelos capaces de alojar dos, tres o cuatro grapas elásticas y fabricada en acero laminado, o de fundición moldeada. En su parte central posee un plano con inclinación 1/20 donde asienta el carril y en sus costados laterales lleva conformados los alojamientos par los clips elásticos.
• Clip elástico igual al empleado en la traviesa de hormigón.
• Anclaje de la placa metálica a la traviesa. Se pueden usar clavos elásticos o simples tirafondos. Según la línea y el lugar de utilización
se emplean dos, tres y hasta cuatro clips o tirafondos por cabeza de traviesa
Figura 2.12. Sujeción Pandrol en madera
La sujeción PANDROL para traviesa metálica se representa en la Figura 2.13. Se trata de la expresión más simplificada de este tipo de sujeción.
Está compuesta, exclusivamente, por la grapa elástica que queda fijada a la traviesa en unos alojamientos realizados en ella durante su fabricación mediante corte y presión en el metal. En las traviesas ya colocadas en vía, que no disponen de estos alojamientos, se suelda una placa metálica para asiento del carril semejante a la utilizada en las traviesas de madera.
Figura 2.13. Sujeción Pandrol en acero
La sujeción ofrece una resistencia adecuada al desplazamiento longitudinal del carril, ya que, por una parte, las grapas trabajan en sentido opuesto en ambos lados del patín por la forma en que están colocadas y, por otra, el apriete que proporciona cada una de ellas sobre dicho patín está comprendido entre la mitad y la tercera parte de la presión de contacto entre dicha grapa y su pieza de alojamiento, por lo que los esfuerzos longitudinales transmitidos por el carril no llegan a desplazar al clip de su posición correcta.
La principal ventaja de la sujeción consiste en la sencillez de su montaje y desmontaje. Como consecuencia, no se precisa personal especializado para estas operaciones, reduciendo el coste de la mano de obra empleado en esta tarea, así como en la de mantenimiento.
Para facilitar las operaciones de montaje y desmontaje de las grapas elásticas, la firma PANDROL dispone de dos herramientas específicas:
• El Panpuller es una herramienta manual consistente en un brazo metálico provisto de una uña móvil y otra fija. Para introducir el clip en su hueco de alojamiento, se enfrenta su terminación con él, se inserta la uña móvil en la onda del clip y se hace presión utilizando la herramienta como palanca y la cabeza de la pieza de alojamiento como punto de apoyo. Para extraerlo, se utiliza la uña fija y se hace palanca con la traviesa como punto de apoyo.
• El Pandriver es una máquina motorizada que puede montarse sobre la vía y desplazarse a lo largo de ella. Manejada por un solo operario puede retirar, simultáneamente, las cuatro grapas que lleva una traviesa, o colocarlas una vez que sus extremos han sido enfrentados con los huecos de alojamiento.
Finalmente, puede indicarse que, dada la robustez de la sujeción, su vida es prácticamente igual a la vida media del carril.
2.1.4.6. SUJECIÓN HM (SKL 1)
Se trata de una sujeción de origen alemán cuyo nombre responde a las iniciales del ingeniero autor del desarrollo, Herman Maier. De este sistema existen varias versiones distintas, de entre las que destacan una directa, la SKL 1, que se desarrolla en este apartado y la otra indirecta con placa nervada de acero, denominada SKL 12 [30].
En principio, la sujeción HM SKL 1 se fabrica para ser colocada en las traviesas monobloque DW de hormigón en sus dos variantes, para carril de 54 y 60 kg, aunque, también, puede ser utilizada con traviesas de madera y metálicas. La fijación a la traviesa, en el caso de que ésta sea de madera o de hormigón, se realiza por medio de un tirafondo, mientras que, si se trata de traviesa metálica, la fijación se lleva a cabo por una tuerca roscada a un espárrago fijo a la traviesa.
La sujeción está compuesta por los siguientes componentes, según puede verse en la Figura 2.14:
Figura 2.14. Sujeción HM (SKL 1)
• Grapa o clip elástico. Se trata de una pieza de acero de sección circular y de geometría característica (forma de letra griega épsilon), cuya misión es oprimir el patín del carril contra la traviesa a través de la placa de asiento, trabajando en flexotorsión.
• Tirafondo de acero galvanizado y cromatado. Espiga roscada de alojamiento del tirafondo. Su forma es troncocónica y tiene una rosca exteriormente para mejorar la adherencia con el hormigón de las traviesas, donde se coloca en el proceso de fabricación de las mismas. Esta geometría permite, además, colocar un muelle metálico roscado exteriormente si se necesita una mayor adherencia con el hormigón. Va provisto, también, de un fileteado interior a fin de alojar el tirafondo. Está fabricada en un material plástico, siendo en la mayoría de los casos polietileno.
• Placa acodada para guía del carril. Es una placa metálica de forma especial con un codo en V en uno de sus extremos, que le permite ocupar un alojamiento en la traviesa con objeto de fijar su posición y, por tanto, la del carril. La sujeción monta dos placas, una a cada lado del carril que se interponen entre la traviesa y las grapas elásticas, quedando oprimidas por estas últimas. Las placas tienen un orificio por el que pasa el tirafondo de sujeción a la traviesa y varios resaltes, uno de los cuales sirve de tope al apretado, el cual se considerará correcto, en el momento que se establezca el contacto entre dicho nervio y la parte central del clip elástico (zona A en la Figura 2.14).
• Plantilla aislante. Se trata de una plancha de polietileno que se coloca entre la placa acodada y la traviesa para asegurar el aislamiento eléctrico entre los dos hilos.
• Placa de asiento del carril.
La sujeción se basa esencialmente en:
• La forma y características de la grapa elástica que oprime el patín del carril contra la traviesa a través de su placa de asiento.
• La forma de la placa acodada guía del carril sobre la que ejerce su presión la grapa elástica.
• El aislamiento y facilidades de apoyo que proporciona la placa de asiento del carril y la plantilla aislante de la placa acodada guía.
• La inserción del tirafondo de presión en la espiga roscada de material plástico.
Se utilizan estas sujeciones en número de dos por punto de sujeción y, si ésta es de hormigón, se emplean unas placas elásticas de asiento de material sintético, dotadas de unos rebordes laterales que las fijan sobre la traviesa para evitar su movimiento durante el montaje.
Figura 2.15: Aspecto fijación HM (SKL 1)
2.1.4.7. SUJECIÓN VM (SKL 1)
Esta sujeción nace del estudio de optimización y análisis de comportamiento de los sistemas de sujeción para vías de alta velocidad, y como consecuencia se presenta como una evolución de la sujeción HM (SKL 1) en la que se sustituye el tirafondo y su anclaje y l aplaca acodada.
Las diferencias entre la sujeción HM y la VM son:
• El anclaje es el sistema VAPE/PLASTIRAIL, modelo 22-115, compuesto de una vaina moldeada en compuesto termoplástico,
engastada entre dos medias conchas metálicas y un tirafondo de acero forjado con un filete conformado en frío.
• La placa acodada o tope aislante, se trata de una placa aligerada A2, inyectada en poliamida 6.6 con un refuerzo del 35 % en peso de fibra corta de vidrio
La placa acodada A2, la placa de asiento y el clip están desarrollados más adelante en la solución que estaba montada durante los ensayos.
Por ello el único elemento diferenciador de este sistema respecto al sistema de sujeción ensayado es el anclaje.
ANCLAJE
El modelo de anclaje VAPE propuesto se denomina 22-115 (que indica el diámetro nominal de la rosca y largo de la vaina) y se compone de dos elementos principales:
• Una vaina moldeada en compuesto termoplástico, engastada entre dos medias conchas metálicas (Figura 2.16).
• Un tirafondo de acero forjado con un filete conformado en frío con un revestimiento galvanizado con zinc bicromado (Figura 2.17)
Figura 2.16 Geometría de la vaina
Figura 2.17. Geometría del tornillo VAPE
• La vaina interior consiste en un compuesto termoplástico inyectado que proporciona altos rendimientos mecánicos. Este compuesto se trata de una Poliamida 6.6 reforzada en fibra corta de vidrio en un 30% en peso.
• Para la fabricación del tirafondo se forja la cabeza en caliente y se forma en frío el cuerpo y el filete. El tirafondo consta de una rosca trapezoidal TR 22x4 que asegura un buen contacto entre el tirafondo de acero y la vaina de plástico, alcanzando altos
rendimientos mecánicos. Este tipo de filete asegura una gran precisión en el esfuerzo de apriete y sólo se pierde una pequeña porción del mismo en caso de desapriete involuntario o accidental.
Figura 2.18: Aspecto de la sujeción VM (SKL1)
2.1.4.8. SUJECIÓN VM MODIFICADA
La sujeción VM modificada es una evolución de la sujeción VM, la diferencia con esta es la vaina antigiro extraíble y el tirafondo AV-1
La “vaina antigiro extraíble” y su correspondiente tirafondo AV-1 con arandela prisionera, es aplicable a los diversos sistemas de sujeción de carriles montados sobre traviesas de hormigón.
CLIP ELÁSTICO (SKL-1)
El tipo de clip empleado es el SKL-1, siendo el componente que confiere la propiedad fundamental a una sujeción de este tipo, su comportamiento elástico.
Se trata de un elemento fabricado a partir de un perfil de acero de sección circular de 13 mm de diámetro. Está fabricado con un acero especial de muy altas características elásticas (40 Si 7), cuya composición química corresponde a los valores indicados en la Tabla 5.1. Una vez confeccionadas las piezas con la geometría definitiva, se someten a un tratamiento térmico de temple en agua seguido de revenido mediante hornos continuos
C (%) Mn (%) Si (%) P (%) max S (%) max
0.37-0.44 0.60-0.80 1.50-1.90 0.040 0.040
Tabla 2.1.- Límites de la composición del acero empleado en los clip
En la Figura 2.19 se puede observar la geometría característica del clip elástico que recuerda a la letra griega épsilon.
Figura 2.19. Geometría del clip SKL-1
El clip trabaja a flexo-torsión alojándose en el codo de la placa acodada y deformándose por efecto del par aplicado sobre el tirafondo/tornillo. Esta deformación será la que proporciona la fuerza elástica para fijar el carril, que para este tipo de clip en concreto, SKL-1, se sitúa en torno a los 18 kN por pareja de clips. El clip acompaña al movimiento del carril deformándose y recuperando esa deformación cuando el carril vuelve a su posición original.
Figura 2.20: Clip SKL1
PLACA ACODADA
La placa acodada fue la placa aligerada A2, inyectada en poliamida 6.6 con un refuerzo del 35 % en peso de fibra corta de vidrio. Se trata de una evolución de una placa maciza con un comportamiento mecánico similar, pero con un ahorro en material en torno al 40 %. Por este motivo a estas placas se las bautizó con el apodo de “ligeras”.
Figura 2.21: Geometría de la placa acodada ligera A2
La placa acodada permite ocupar un alojamiento en la traviesa con objeto de fijar su posición y, por tanto, la del carril. La sujeción monta dos placas, una a cada lado del carril que se interponen entre la traviesa y las grapas elásticas, quedando oprimidas por estas últimas. Las placas tienen un orificio por el que pasa el tirafondo de sujeción a la traviesa y varios resaltes, uno de los cuales sirve de tope al apretado, el cual se considerará correcto, en el momento que se establezca el contacto entre dicho nervio y la parte central del clip elástico
Figura 20.22. Aspecto de la placa acodada ligera A2
PLACA DE ASIENTO (PAE-2)
Placa Inyectada en material TPE con una geometría en donde los resaltes tienen forma de oblongo, situados igualmente al tresbolillo en ambas caras.
Está inyectada en elastómeros termoplásticos (TPE). Estos materiales se basan en un sistema de fases separadas, en el que alternan una fase de cadenas muy elásticas, que le confieren las características propias de un caucho, con cadenas rígidas y fuertes, formando una fase diferente, de forma que a temperatura ambiente presentan una gran rigidez y cohesión, creando un entrecruzamiento físico similar al producido por el entrecruzamiento químico en la vulcanización. Este entrecruzamiento físico impide el desplazamiento de las cadenas bajo la aplicación de un
esfuerzo, pero al no estar reticuladas químicamente pierden su cohesión al elevar la temperatura por encima de su transición vítrea. La posibilidad de fluir por calentamiento y de solidificar por enfriamiento permite la producción de materiales de caucho por técnica de procesado empleadas en la industria del plástico (inyección, extrusión,…), eliminando el proceso de vulcanización, lento e irreversible
El TPE es un polímero que combina las mejores características de los elastómeros de elevadas prestaciones con las de los termoplásticos técnicos. Entre sus propiedades principales se podría destacar una tenacidad y resiliencia importantes; una elevada resistencia a la fluencia, al impacto y a fatiga por flexión; flexibilidad a bajas temperaturas; buena retención de propiedades a altas temperaturas y buena resistencia a muchos productos químicos, aceites y disolventes. Su principal inconveniente es su elevado coste.
Figura 20.23. Aspecto de la placa de asiento
VAINA ANTIGIRO EXTRAIBLE
Entre las funciones principales que se le exigen a la vaina se encuentran:
• Una resistencia adecuada a la extracción o rotura
• Un buen aislamiento eléctrico
• Capacidad para amortiguar los movimientos de la sujeción intentando no transmitirlos a la masa de hormigón y evitar, de esta forma, fisuraciones prematuras.
• Durabilidad y resistencia a agentes externos
Por todas estas razones las soluciones propuestas están formadas fundamentalmente por materiales poliméricos o materiales compuestos con matriz polimérica.
La materia prima con la que está compuesta es poliamida 6.6 reforzada con un 35% de fibra de vidrio en el cuerpo de la vaina y poliamida 6 reforzada con un 50% de fibra de vidrio en la pieza denominada antigiro.
Su geometría se puede apreciar en la figura 20.24
Figura 20.24. Geometría de la vaina
TIRAFONDO (AV-1)
El tirafondo es el elemento que proporciona la fuerza de apriete al clip para que este pueda actuar sobre la sujeción.
El acero en barras utilizado para la fabricación del tirafondo y de la arandela prisionera serán los indicados en la tabla 2.2
Tabla 2.2
Su geometría se puede observar en las figuras 20.25 y 20.26
Además la normativa nos exige:
• Es preciso cuidar el buen centrado de las cabezas de los tirafondos en relación a las cañas.
• La rectitud de la caña será tal que la altura de flecha no sea superior a 1mm.
• El perfil de la rosca del tornillo será de tipo trapezoidal y paso 12mm.
Figura20.25 Geometría del tirafondo AV-1
Figura20.26 Geometría del tirafondo AV-1
Figura20.27: Aspecto sujeción VM modificada
EXPERIMENTAL
3.1 ENSAYOS DE RIGIDEZ SOBRE PLACA DE ASIENTO
El elemento de apoyo o placa de asiento es una pieza esencial en el conjunto de la sujeción, ya que es el encargado de amortiguar las vibraciones y de proteger el balasto frente a las acciones derivadas del tráfico de los ferrocarriles. Dado que la circulación de las cargas origina esfuerzos tanto de naturaleza estática como dinámica, será necesario comprobar el comportamiento de las placas de asiento ante ambos tipos de acciones. Esto conduce a definir ensayos que permitan calibrar la rigidez de estos elementos ante toda clase de situaciones.
3.1.1 RIGIDEZ VERTICAL ESTÁTICA
3.1.1.1 JUSTIFICACION DE LOS ENSAYOS
Para la definición de la rigidez estática, será preciso considerar dos tipos de ensayos: aquéllos que analizan el comportamiento frente a las condiciones normales de explotación y los que permiten comprobar la protección que el elemento de apoyo ofrece a la traviesa y al balasto en el caso de cargas excepcionales causadas por defectos en el carril, en la rueda o en el asiento de la traviesa sobre el balasto, entre otras.
3.1.1.2 METODOLOGÍA
3.1.1.2.1 DESCRIPCIÓN DEL ENSAYO SEGÚN NORMA
Para la obtención de la rigidez estática, la especificación propone ensayos aplicando una carga vertical progresiva sobre un cupón de carril colocado sobre el elemento de apoyo alojado, a su vez, en la traviesa a una velocidad de carga establecida, v.
La deformación de la placa de asiento (d) originada por la carga transmitida, o desplazamiento relativo entre carril y traviesa, se determina posicionando unos comparadores a ambos lados de la traviesa.
Para asegurar el perfecto acoplamiento de los distintos elementos, se especifican tres ciclos consecutivos de carga-descarga con un mantenimiento durante un minuto de la carga máxima aplicada.
La rigidez se calcula como el cociente entre un intervalo de cargas definido y la diferencia de deformación asociada en los límites de dichos intervalos.
La especificación recoge una vía para la determinación de la rigidez vertical, en la que define el nivel de carga a los que se realiza el ensayo y la velocidad con que se aplica.
La normativa UNE-EN 13481-2 nos define para la categoría D de nuestra sujeción:
• FSP1: 18 KN
• FSPmáx: 85 KN
3.1.1.3 METODOLOGÍA EXPERIMENTAL ADOPTADA
La placa de asiento se coloca sobre un cupón obtenido de una traviesa provisto de cuatro captadores de desplazamiento LVDT. Bajo la placa se coloca una tela abrasiva (la parte abrasiva hacia arriba) y sobre la placa se sitúa otra tela abrasiva (la parte abrasiva hacia abajo) además de un cupón de carril de base rectificada en cuya parte central superior se ha practicado un hueco semiesférico en el que se aloja una bola que será la encargada de transmitir el esfuerzo realizado por la máquina sobre el elemento a ensayar, de forma que se evita la aplicación de cargas excéntricas no deseadas.
Figura 3.1: Colocación para el ensayo de los comparadores y la tela abrasiva
Figura 3.2: Vista general del ensayo
3.1.1.4 EQUIPAMIENTO NECESARIO PARA LA REALIZACIÓN DE LOS ENSAYOS
Para la realización del ensayo será necesaria una máquina de ensayo con una capacidad mínima de (FSPmáx +10%) kN que pueda adaptarse a la velocidad de carga especificada y cuatro captadores de desplazamientos LVDT con un rango mínimo de 5 mm de recorrido y resolución de 0.01 mm. El dispositivo de ensayos estará formado por un cupón de carril con la parte inferior del patín rectificada, con la posibilidad de adaptar una rótula en su parte superior para asegurar que la fuerza ejercida sobre el carril es perfectamente vertical y por un cupón de traviesa con la parte inferior rectificada, de modo que las dos caras, la de apoyo de la placa de
asiento y la de apoyo del cupón con la máquina de ensayo, sean paralelas entre sí. Por último, se precisa de un equipo informático que permita el registro continuo de la curva carga/desplazamiento.
3.1.1.5 PARAMETROS DE ENSAYO
• Fuerza mínima (FSP1 ): 18 KN
• Fuerza máxima (FSPmáx ): 85 KN
• FSP2 = 0.8 FSPmáx : 68 KN
• Tela abrasiva: P240
• Desplazamiento en cada esquina del elemento apoyo (di)
• Media de los cuatro desplazamientos d(di): 𝑑 = ∑ di4
• Velocidad de aplicación (120 ± 10) KN/min
3.1.1.6 RESULTADO OBTENIDO
La rigidez se calcula en el tercer y último ciclo de carga como el cociente entre la variación de fuerza aplicada y la variación del desplazamiento, correspondientes a los valores de carga especificados para cada ensayo.
𝐾𝑆𝑃 =𝐹𝑆𝑃2 – 𝐹𝑆𝑃1
𝑑𝑆𝑃 [𝑀𝑁/𝑚]
3.1.2 RIGIDEZ DINÁMICA A BAJA FRECUENCIA
3.1.2.1 JUSTIFICACION DEL ENSAYO
Dada la naturaleza polimérica del material que conforma la placa de asiento, además de su comportamiento ante cargas estáticas, se hace preciso analizar su respuesta frente a esfuerzos dinámicos, que son los mayoritariamente presentes en su funcionalidad real.
3.1.2.2 METODOLOGÍA
3.1.2.2.1 DESCRIPCIÓN DEL ENSAYO SEGÚN NORMA
La placa de asiento se coloca entre dos soportes planos y rígidos, intercalando entre las superficies de contacto una tela abrasiva con su parte activa actuando sobre las dos caras de la placa a caracterizar.
Sobre el conjunto y centrada se aplica una fuerza cíclica que va de FLFP1 KN a FLFP2 KN, donde FLFP2 = 0,8 FLFPmáx durante 10 s a la frecuencia de ensayo requerida ± 1 Hz
Después de 10s se registra la carga aplicada y se determinan las deformaciones máxima y mínima ocasionadas, por medio de unos comparadores, de seguimiento dinámico del desplazamiento, que miden la variación de la separación entre los dos soportes rígidos con un mínimo de 20 muestras por ciclo para al menos diez ciclos.
3.1.2.2.2 METODOLOGÍA EXPERIMENTAL ADOPTADA
Con el fin de poder comparar los valores de rigidez dinámica con los estáticos se empleó el mismo dispositivo de ensayo descrito en 3.1.1.3
Sobre la placa de asiento y con la misma disposición utilizada en los ensayos de rigidez estática se aplica una carga cíclica que va de FLFP1 KN a FLFP2 KN, donde FLFP2= 0,8 FLFPmáx durante 10 s a la frecuencia de ensayo requerida ± 1 Hz se somete al conjunto a ciclos de carga senoidal entre 18 y 68 kN a una frecuencia de (5 ± 1); (10 ± 1); (20 ± 1) Hz para al menos 10 ciclos tomando 20 muestras por ciclo y durante al menos 10 s.
Figura 3.3: Aspecto del ensayo
3.1.2.2.3 EQUIPAMIENTO NECESARIO PARA LA REALIZACIÓN DEL ENSAYO
Para la realización del ensayo será necesaria una máquina de ensayo con una capacidad mínima de 100 kN que pueda adaptarse a la velocidad de carga especificada y cuatro captadores de desplazamientos LVDT dinámicos con un rango mínimo de 5 mm de recorrido y resolución de 0.01 mm. El dispositivo de ensayos estará formado por un cupón de carril con la parte inferior del patín rectificada, con la posibilidad de adaptar una rótula en su parte superior para asegurar que la fuerza ejercida sobre el carril es perfectamente vertical y por un cupón de traviesa con la parte inferior rectificada, de modo que las dos caras, la de apoyo de la placa de asiento y la de apoyo del cupón con la máquina de ensayo, sean paralelas entre sí. Por último, se precisa de un equipo informático que permita el registro continuo de la curva carga/desplazamiento con una frecuencia de muestreo superior de al menos 20 veces la frecuencia de la carga.
3.1.2.2.4 PARAMETROS DE ENSAYO
• Fuerza máxima (FLFPmáx): 85 KN
• Fuerza mínima (FLFP1): 18 KN
• FLFP2= 0,8 FLFPmáx = 68KN
• Frecuencia de aplicación de las cargas (f) o (5 ± 1) Hz
o (10 ± 1) Hz o (20 ± 1) Hz
• Tela abrasiva: P240
• Desplazamiento de cada comparador (di)
• Media de los 4 desplazamientos (dLFP ) dLFP = ∑ din
• Rigidez dinámica a baja frecuencia para una frecuencia dada (kLFPf )
3.1.2.3 RESULTADO OBTENIDO
La rigidez dinámica a baja frecuencia se calcula en el último ciclo de carga como el cociente entre la variación de la fuerza aplicada y la variación del desplazamiento entre los puntos A y B, correspondientes a los valores de carga de 68 y 18 kN, respectivamente. Por tanto, el valor de la rigidez dinámica a baja frecuencia se expresa como:
kLFPf = FLFP2 − FLFP1
dLFP [MN/m]
Si se requiere un valor general de la rigidez dinámica a baja frecuencia este se calcula utilizando:
kLFPmean = kLFP5 + kLFP10 + kLFP20
3 [MN/m]
3.2 ENSAYOS DE RIGIDEZ SOBRE EL CONJUNTO
3.2.1 JUSTIFICACIÓN DEL ENSAYO
Dada la naturaleza polimérica del material que conforma la placa de asiento, además de su comportamiento aislado ante cargas estáticas y dinámico, se hace preciso analizar su respuesta frente a esfuerzos dinámicos que soporta el conjunto, que son los presentes en su funcionalidad real.
3.2.2 METODOLOGÍA
3.2.2.1 DESCRIPCIÓN DEL ENSAYO SEGÚN NORMA
Se aplica una fuerza cíclica sobre la línea central de la cabeza del carril, perpendicular al soporte del conjunto, por encima de la línea central longitudinal de la traviesa o media traviesa. Se miden los desplazamientos máximo y mínimo resultantes del sistema.
Sobre el conjunto y centrada se aplica una fuerza cíclica entre 1 y 64 kN a una frecuencia entre 3 y 30 Hz durante 1000 ciclos, en los últimos 100 ciclos se registra la carga aplicada y se determinan las deformaciones máxima y mínima ocasionadas a lo largo de 10 ciclos, por medio de unos comparadores, de seguimiento dinámico del desplazamiento, que miden la variación de la separación entre los dos soportes rígidos.
Figura 3.4: Vista de la colocación del ensayo
Figura 3.5: Vista lateral del ensayo
Figura 3.6: Aspecto del ensayo
3.2.2.2 METODOLOGÍA EXPERIMENTAL ADOPTADA
Sobre el conjunto, se aplica una carga entre FLFA1 y FLFA2 kN a una frecuencia de 4 ± 1 Hz para un total de 1000 ciclos. Durante los últimos 100 ciclos se registra la carga aplicada y el desplazamiento vertical del carril a lo largo de 10 ciclos. Se calculan entonces los valores medios de dLFA1 (desplazamiento medio a la fuerza mínima FLFA1) y dLFA2
(desplazamiento medio a la fuerza mínima FLFA2)
3.2.2.3 EQUIPAMIENTO NECESARIO PARA LA REALIZACIÓN DEL ENSAYO
Para la realización del ensayo será necesaria una máquina de ensayo con una capacidad mínima de 100 kN que pueda adaptarse a la velocidad de carga especificada y cuatro captadores de desplazamientos LVDT dinámicos con un rango mínimo de 5 mm de recorrido y resolución de 0.01 mm. El dispositivo de ensayos estará formado por un cupón de carril con la parte inferior del patín rectificada, con la posibilidad de adaptar una rótula en su parte superior para asegurar que la fuerza ejercida sobre el carril es perfectamente vertical y por un cupón de traviesa con la parte inferior rectificada, de modo que las dos caras, la de apoyo de la placa de asiento y la de apoyo del cupón con la máquina de ensayo, sean paralelas entre sí. Por último, se precisa de un equipo informático que permita el registro continuo de la curva carga/desplazamiento con una frecuencia de muestreo superior a 50 Hz.
3.2.2.4 PARÁMETROS DE ENSAYO
• Fuerza máxima (FLFA1): 64 kN
• Fuerza mínima (FLFA2): FLFA2 =0,8 FLFAmáx 1 kN
• Frecuencia de aplicación de las cargas (f): 4 ± 1 Hz
• Duración de la prueba: 1000 ciclos
• Desplazamiento de cada comparador (di)
• Media de los 4 desplazamientos d (di) = ∑ 𝑑𝑖𝑛
• Rigidez dinámica a baja frecuencia (kLFA)
3.2.3 RESULTADO OBTENIDO Y VALOR LÍMITE INDICADO EN LA ESPECIFICACIÓN
La rigidez dinámica a baja frecuencia se calcula en el último ciclo de carga como el cociente entre la variación de la fuerza aplicada y la variación del desplazamiento entre los puntos A y B, correspondientes a los valores de carga de 64 y 1 kN, respectivamente. Por tanto, el valor de la rigidez dinámica a baja frecuencia se expresa como:
kLFA = FLFA2 − FLFA1
𝑑LFA2 − 𝑑LFA1 [MN/m]
